An efficient hydrogen production process using solar thermo-electrochemical water-splitting cycle and its techno-economic analyses and multi-objective optimization

工艺工程 火用 布莱顿循环 朗肯循环 可用能 制氢 按来源划分的电力成本 多目标优化 集中太阳能 光伏系统 有机朗肯循环 分解水 热效率 环境科学 太阳能 发电 工程类 机械工程 化学 余热 热力学 数学 功率(物理) 热交换器 电气工程 数学优化 燃烧 物理 有机化学 催化作用 生物化学 光催化
作者
Shengan Zhang,Kaiyu Li,Pengfei Zhu,Min Dai,Guilian Liu
出处
期刊:Energy Conversion and Management [Elsevier]
卷期号:266: 115859-115859 被引量:32
标识
DOI:10.1016/j.enconman.2022.115859
摘要

A conceptual solar thermo-electrochemical water-splitting system is developed for producing green hydrogen and electricity. The system consists of a solar power tower and thermal energy storage subsystem, a four-step Cu-Cl thermo-electrochemical water-splitting cycle, supercritical CO2 Brayton cycle, and waste heat recovery unit with an organic Rankine cycle. The system is simulated in Aspen Plus with the mathematical models of the heliostat fields and electrolyzer written in the Fortran language and embedded. The performance of the proposed system is evaluated and optimized based on energy, exergy, techno-economic analysis, and sustainability assessment. The tradeoff between maximum exergy efficiency, minimum total annual cost (TAC), and minimum levelized cost of hydrogen (LCOH) is conducted by multi-objective optimization, which is implemented based on the non-dominated sorting genetic algorithm-II and the interaction between Aspen Plus and MATLAB software. The Pareto solutions indicate that the optimal exergy efficiency, TAC, and LCOH are 48.72 %, 50.96 M$/year, and 1.28 $/kg, respectively, and the LCOH is 36 % lower than that reported in the literature.

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